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背景介紹

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品正朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，如柔性電子器件、發(fā)光二極管等。其中，電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題已成為當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)難題。主要有三種散熱方式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。由于電子產(chǎn)品的散熱器體積和尺寸較小，因此對(duì)流冷卻在散熱過(guò)程中的作用相對(duì)較小。電子產(chǎn)品內(nèi)部的熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射向空氣中傳播。傳統(tǒng)的散熱器材料是高導(dǎo)熱金屬，通過(guò)其優(yōu)異的導(dǎo)熱性達(dá)到良好的散熱性能。然而，金屬材料不耐腐蝕，在接觸空氣濕氣時(shí)很容易腐蝕基板，對(duì)電子產(chǎn)品的使用構(gòu)成很大的安全隱患。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在金屬散熱器表面涂上一層耐腐蝕涂層。然而，涂層的主要成分是樹(shù)脂，這是一種導(dǎo)熱系數(shù)低的高分子有機(jī)物。這極大地限制了電子產(chǎn)品的散熱效率。

這種高導(dǎo)熱聚合物涂層的制備通常涉及在聚合物基體中加入一定比例的無(wú)機(jī)填料以獲得更高的導(dǎo)熱性。然而，由于聚合物基體的巨大聲子譜與無(wú)機(jī)填料之間的不匹配，界面處的晶格振動(dòng)能量嚴(yán)重減弱，顯著增加了兩組分之間的界面熱阻，導(dǎo)致復(fù)合材料之間的導(dǎo)熱性降低。為了提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，通常選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱填料進(jìn)行改性。石墨烯具有導(dǎo)熱系數(shù)高、導(dǎo)電性高、力學(xué)性能優(yōu)異、比表面積大等諸多優(yōu)異性能。室溫下其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5000
W/(m·K)。因此，石墨烯也被添加為高導(dǎo)熱填料，以增強(qiáng)涂層/材料的導(dǎo)熱性。因此將其添加到聚合物中具有很高的輻射散熱性能，大大提高了涂層的輻射散熱性能，從而提高了冷卻效率是最佳的改善方法之一。

02

成果掠影

近日，煤基生態(tài)碳匯技術(shù)教育部工程研究中心趙建國(guó)和張進(jìn)團(tuán)隊(duì)針對(duì)高性能熱管理材料的研究取得最新進(jìn)展。本研究以液相剝離法制備的石墨烯作為功能添加劑材料，在不銹鋼基體上成功制備了石墨烯高導(dǎo)熱涂層材料，以增強(qiáng)冷卻性能。研究發(fā)現(xiàn)，不同石墨烯含量的不同涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異顯著，石墨烯含量為15%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)9.499 W/(m·K)，可快速實(shí)現(xiàn)散熱。結(jié)合熱涂層的實(shí)際工況，對(duì)涂層的綜合性能進(jìn)行了測(cè)試，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和優(yōu)異的耐溫度循環(huán)性能。在實(shí)驗(yàn)條件下，在不銹鋼基體中加入熱涂層后，其冷卻效果明顯改善。與未包覆的空白試樣相比，室溫下傳熱時(shí)的最大溫差可達(dá)11℃，-80℃下的最大溫差可達(dá)19℃。這項(xiàng)研究的涂層在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景有巨大的潛力。研究成果以“Preparation and Performance Evaluation of
Graphene-based Waterborne Thermal Conductive Coatings”為題發(fā)表在《Surface & Coatings Technology》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.石墨烯水性高導(dǎo)熱涂料的制備。

圖2.石墨烯掃描電子顯微鏡圖像和原子力顯微鏡圖像。

圖3.不同石墨烯負(fù)載涂層的熱擴(kuò)散系數(shù)(a)和導(dǎo)熱系數(shù)變化(b)。

圖4.不同石墨烯添加量制備涂層的微觀結(jié)構(gòu)。

圖5.不同石墨烯添加量制備的涂層的耐水性測(cè)試。

圖6.石墨烯導(dǎo)熱涂層的熱輻射溫度曲線(xiàn)。

審核編輯：黃飛

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